Artykuł ten został opublikowany we współpracy z Horizon, unijnym magazynem poświęconym badaniom i innowacjom.
Dla milionów osób cierpiących na atopowe zapalenie skóry, powszechnie znane jako egzema, radzenie sobie z tą chorobą może wydawać się ciągłą walką. Zaostrzenia są nieprzewidywalne, istniejące metody leczenia są szerokie, a ulga często jest tymczasowa.
Podczas nawrotów szkodliwe bakterie szybko się namnażają, wypierając pożyteczne drobnoustroje, które normalnie pomagają utrzymać zdrową skórę i kontrolować stan zapalny.
Profesor Tom Ellis, inżynier zajmujący się syntetycznym genomem w Imperial College w Londynie, uważa, że odpowiedź może leżeć w niezwykłym źródle: naszywce, która w pewnym sensie jest żywa.
Współpracując z kolegami z całej Europy, Ellis jest jednym z głównych badaczy finansowanej ze środków UE inicjatywy NextSkins, która potrwa do 2027 r. Zespół badawczy bada, w jaki sposób inżynieryjne żywe materiały (ELM) można wykorzystać do opracowania nowych rodzajów terapii opartych na żywych mikroorganizmach, takich jak bakterie i drożdże.
Żywy plaster
Jednym z najbardziej obiecujących prototypów zespołu jest cienka, przypominająca skórę łatka. Jej dolna warstwa zawiera zmodyfikowane białka, które wykrywają enzymy uwalniane przez szkodliwe bakterie podczas zaostrzenia egzemy. Sygnał ten pobudza żywe komórki drożdży znajdujące się głębiej w plastrze, aby wytworzyć i uwolnić cząsteczki terapeutyczne dokładnie tam, gdzie są potrzebne.
„
Chcemy tworzyć terapie skupiające się na złych facetach i tylko na nich.Profesor Tom Ellis, NextSkins
Plastry mogą mieć szerokość kilkudziesięciu centymetrów i uwalniać cząsteczki terapeutyczne na całej powierzchni, a nawet można je dopasować do rękawów, bandaży lub wkładek do odzieży, aby zapewnić szersze pokrycie.
Większość obecnych metod leczenia egzemy to maści do stosowania miejscowego, które mają bardzo szerokie podejście. „Docierają do wszystkich komórek i wchodzą w interakcję ze wszystkimi drobnoustrojami na skórze” – powiedział Ellis. „To nie jest idealne rozwiązanie, ponieważ na naszej skórze żyje wiele różnych bakterii i grzybów, a wiele z nich jest pożytecznych”.
Celem badaczy NextSkins jest opracowanie terapii ukierunkowanej na szkodliwe drobnoustroje, pozostawiającej resztę delikatnego ekosystemu mikrobiologicznego skóry w nienaruszonym stanie, pomagając przywrócić jej naturalną równowagę, a nie ją zakłócać.
„Chcemy opracować terapie skupiające się na złych facetach i tylko na nich” – powiedział Ellis.
Inspiracja kombuchą
Inspiracją jest kombucha, sfermentowany napój herbaciany, w którym naturalnie rosną razem drożdże i bakterie.
Działanie plastra polega na zamknięciu zmodyfikowanych żywych komórek drożdży w matrycy z celulozy bakteryjnej. Zamiast działać w sposób ciągły, zmodyfikowane komórki zaprojektowano tak, aby wykrywały sygnały chemiczne wytwarzane, gdy szkodliwe bakterie związane z egzemą zaczynają dominować w mikrobiomie skóry.
„Para do noszenia wykryje sygnały chemiczne związane z zaostrzeniem egzemy, a komórki plastra zostaną pobudzone i uwolnią środki terapeutyczne” – wyjaśniła Marie-Eve Aubin-Tam, profesor bionauki na Uniwersytecie Technologicznym w Delft w Holandii, która koordynuje prace NextSkins.
Plaster składa się z trzech warstw, odzwierciedlających wyspecjalizowaną strukturę ludzkiej skóry, gdzie różne warstwy pełnią różne funkcje, takie jak wykrywanie, ochrona i naprawa.
Dolna warstwa wchodzi w interakcję ze skórą użytkownika, centralna warstwa nawilżona zawiera żywe komórki, a warstwa zewnętrzna zapobiega wysychaniu materiału. Pomimo tej warstwowej konstrukcji, gotowa naszywka będzie miała zaledwie kilka milimetrów grubości i będzie łatwa w noszeniu.
Podczas fermentacji kombuchy mikroorganizmy w naturalny sposób wytwarzają na powierzchni cieczy galaretowatą warstwę celulozy bakteryjnej.
„Twórcy kombuchy zazwyczaj wyrzucają tę warstwę” – wyjaśnił Ellis. „Zamiast tego używamy go jako środowiska, w którym mogą rosnąć zmodyfikowane drożdże”.
Jedna platforma, dwa materiały
Plaster na wyprysk to tylko jeden z przykładów szerszego potencjału tej technologii.
Naukowcy opracowują dwa bardzo różne materiały z tej samej bazy celulozy bakteryjnej stosowanej w plastrze terapeutycznym. Zmieniając, które mikroorganizmy żyją w tej strukturze, mogą nadać każdemu materiałowi zupełnie inne właściwości
„Chcemy pokazać, w jaki sposób tę macierz można wykorzystać jako platformę do przechowywania komórek lub ekosystemów komórek, które komunikują się ze sobą, a także z otoczeniem, i reagują na otrzymywane sygnały” – powiedział Aubin-Tam.
Razem te maleńkie społeczności drobnoustrojów zachowują się raczej jak miniaturowe żywe tkanki, komunikując się między sobą i wspólnie reagując na zmiany w swoim otoczeniu.
Oprócz plastra terapeutycznego zespół opracowuje wytrzymały, samonaprawiający się kompozyt przeznaczony do stosowania w sprzęcie ochronnym i przedmiotach codziennego użytku, które pewnego dnia mogą zastąpić ceramikę lub tworzywa sztuczne. Przewidywane przykładowe zastosowania obejmują kaski, walizki i etui na telefony.
Chociaż oba materiały bardzo różnią się wyglądem i przeznaczeniem, opierają się na tej samej podstawowej zasadzie: wykorzystywaniu żywych komórek do wykonywania funkcji, których konwencjonalne materiały po prostu nie mogą.
Plaster terapeutyczny wyczuwa i reaguje. Kompozyt ochronny goi się sam, podobnie jak skóra po skaleczeniu. Chociaż plaster musi pozostać wilgotny i giętki, materiał ochronny jest suchy i sztywny.
„W naszej pracy wykorzystujemy wyłącznie drobnoustroje, ale wielu różnych typów” – powiedział Aubin-Tam. „Kompozyt ochronny opiera się na bakteriach Bacillus. Bakterie te mogą tworzyć przetrwalniki, co pozwala im przetrwać w trudnych warunkach. Pozostają uśpione w materiale i mogą zostać aktywowane w razie potrzeby. „
Wciąż u podnóża
Od 2022 r. zespół NextSkins produkuje wczesne prototypy obu materiałów i opracowuje komponenty mikrobiologiczne potrzebne do ich budowy.
Kolejnym wyzwaniem jest połączenie tych składników i zachęcenie różnych mikroorganizmów do zorganizowania się w warstwowe struktury, które nadają materiałom ich unikalne właściwości.
„Z natury drobnoustroje chcą po prostu rosnąć i dzielić się” – powiedział Ellis. „Zmuszanie ich do organizowania się w warstwy jest zatem bardzo trudne”.
„
Jeśli spojrzysz na żywe organizmy z perspektywy materiałów, są one niezwykłe.Dr Marie-Eve Aubin-Tam, NextSkins
Dlatego badacze przyjęli pragmatyczne podejście, pozostając przy oryginalnej koncepcji samodzielnie wyhodowanych i samoorganizujących się materiałów, jednocześnie badając druk 3D w celu dokładniejszej kontroli kształtu.
„Początkowo chcieliśmy, żeby wszystko wyrosło samoistnie” – powiedział Aubin-Tam. „Ale to sprawia, że materiały są bardziej ograniczone, ponieważ nie możemy tworzyć skomplikowanych kształtów 3D”.
Ellis przestrzegł, że pomimo postępu w dziedzinie ELM, wykorzystanie ich w świecie rzeczywistym jest jeszcze odległe.
„Jeśli chodzi o zastosowania w życiu codziennym, wciąż jesteśmy u podnóża. Teraz kładziemy podwaliny pod tę technologię.”
Żywa alternatywa
Sukces w tym przypadku może sprawić, że zaprojektowane żywe materiały wyjdą daleko poza naszywki do noszenia.
„Jeśli spojrzysz na żywe organizmy z perspektywy materiałów, są one niezwykłe” – powiedział Aubin-Tam. „Mogą rosnąć, przystosowywać się do bodźców, leczyć się, a nawet poruszać”.
Zarówno Aubin-Tam, jak i Ellis uważają, że ELM mogą ostatecznie zaoferować bardziej zrównoważoną alternatywę dla materiałów, na których dzisiaj polegamy.
„Jeśli się nad tym zastanowić, większość naszych materiałów to już biomateriały, takie jak drewno czy bawełna” – powiedział Ellis. „W tej chwili po prostu je zbieramy i wykorzystujemy”.
Prawdziwym czynnikiem zmieniającym zasady gry, stwierdził Ellis, byłoby zwiększenie skali tego rodzaju ustrukturyzowanego wzrostu: nie tylko masowa produkcja drobnoustrojów, co jest już rutyną, ale także hodowanie ich bezpośrednio w nadające się do użytku, ukształtowane materiały.
„Gdybyśmy mogli sami przekształcić żywe istoty w materiały, moglibyśmy zaprzestać wycinania lasów i zmniejszyć ślad węglowy” – powiedział.
Na razie naukowcy pracują nad bardziej bezpośrednim kamieniem milowym: łatą weryfikującą koncepcję, którą można przetestować na modelach skóry, co będzie pierwszym prawdziwym testem sprawdzającym, czy żywy materiał działa zgodnie z zamierzeniami.
Jeśli im się to uda, będzie to znaczący krok w kierunku nowego rodzaju leku, który nie tylko leczy skórę, ale także z nią współpracuje.
Badania opisane w tym artykule zostały częściowo sfinansowane przez Europejską Radę ds. Innowacji (EIC). Poglądy rozmówców niekoniecznie odzwierciedlają stanowisko Komisji Europejskiej. Jeśli spodobał Ci się ten artykuł, rozważ udostępnienie go w mediach społecznościowych.
Artykuł ten został pierwotnie opublikowany w Horizon, unijnym magazynie poświęconym badaniom i innowacjom
